第十四章光學(xué)-偏振

第四部分光的偏振*§14-18

偏振光的干涉及應(yīng)用*§14-17

光的雙折射現(xiàn)象§14-16

反射和折射時(shí)光的偏振§14-15

自然光和偏振光光的橫波性質(zhì)馬呂斯定律*§14-19

全息照相簡(jiǎn)介光波是一種電磁波傳播方向能夠引起感光作用和生理作用的是電場(chǎng)矢量電振動(dòng)、磁振動(dòng)和光傳播方向的相互關(guān)系§14-15

自然光和偏振光光的橫波性質(zhì)馬呂斯定律電磁波是變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)的傳播過(guò)程電場(chǎng)矢量稱(chēng)為光矢量矢量的振動(dòng)稱(chēng)為光振動(dòng)1.自然光

各方向上光振動(dòng)的振幅相等的光自然光所有光矢量都分一、自然光和偏振光兩分量大小一般不等各方向光振動(dòng)振幅相等x傳播方向yyx傳播方向所有光矢量的分量疊加綜合效果每一光矢量都可分解振動(dòng)方向相互垂直的分振動(dòng)則可表示為兩個(gè)振幅相等、解到相互垂直的這兩個(gè)方向2.

線(xiàn)偏振光傳播方向傳播方向傳播方向傳播方向3.部分偏振光只在一個(gè)固定方向有光振動(dòng)兩方向的振幅不等但是所有光矢量都分解到兩相互垂直的方向后所有各方向都有光振動(dòng)4.

自然光、線(xiàn)偏振光和部分偏振光的圖像表示振動(dòng)垂直紙面的線(xiàn)偏振光振動(dòng)平行紙面的線(xiàn)偏振光平行紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)的部分偏振光垂直紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)的部分偏振光自然光各方向振動(dòng)強(qiáng)度相同5、圓偏振光和橢圓偏振光

右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光

在垂直光傳播方向的平面內(nèi),光矢量按一定頻率旋轉(zhuǎn)(左旋或右旋).光矢量端點(diǎn)的軌跡為圓是圓偏振光,光矢量端點(diǎn)的軌跡為橢圓是橢圓偏振光.

從振動(dòng)的合成知,圓偏振光或橢圓偏振光是由兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直,具有一定相位差的分振動(dòng)合成.

本書(shū)只涉及線(xiàn)偏振光和部分偏振光.繩上橫波通過(guò)狹縫顯示出橫波特性二、起偏和檢偏光的橫波性質(zhì)狹縫與振動(dòng)同方向狹縫與振動(dòng)方向垂直光源自然光起偏器檢偏器線(xiàn)偏振光偏振化方向偏振化方向把自然光變?yōu)槠窆獾难b置稱(chēng)為起偏器

自然光不能顯示光的橫波特性偏振片其他方向的光振動(dòng)自然光線(xiàn)偏振光偏振化方向一些天然晶體和人造薄膜可以把自然光變?yōu)槠窆猓Q(chēng)為偏振片允許光振動(dòng)通過(guò)的方向稱(chēng)為偏振片的偏振化方向偏振片僅容許某一特定方向的光振動(dòng)通過(guò)而吸收電氣石晶片偏振眼鏡旋轉(zhuǎn)偏振片，可以檢測(cè)入射光的偏振特性?xún)善衿窕较蚱叫袃善衿窕较虼怪逼衿鳛槠鹌饕材軝z測(cè)入射光的偏振特性，即作為檢偏器此時(shí)無(wú)透射光如果透射光強(qiáng)有兩個(gè)位置等于零當(dāng)偏振片以光線(xiàn)為軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)檢偏方法與結(jié)果判斷：如果透射光強(qiáng)恒為入射光光強(qiáng)的一半如果透射光強(qiáng)周期性變化入射光是自然光入射光是偏振光或部分偏振光入射光為全偏振光（線(xiàn)偏振光）全偏振光·····自然光最亮·····自然光最暗起偏器檢偏器全偏振光

光的橫波性

縱波的振動(dòng)方向與傳播方向相同，因而縱波有繞傳播方向的對(duì)稱(chēng)性.橫波的振動(dòng)方向與傳播方向垂直，沒(méi)有繞傳播方向的對(duì)稱(chēng)性.自然光，在一切方向上都有光振動(dòng)，產(chǎn)生了繞傳播方向的對(duì)稱(chēng)性，掩蓋了光波的橫向振動(dòng)的本性.可用前面討論過(guò)的裝置考察光的橫波性.

圖中用起偏器獲得偏振光,檢偏器旋轉(zhuǎn)時(shí)可看到視場(chǎng)中光強(qiáng)的明暗變化.表明只有在光振動(dòng)矢量的振動(dòng)方向與檢偏器的偏振化方向相同時(shí),光矢量才允許通過(guò),因而光波沒(méi)有繞傳播方向的對(duì)稱(chēng)性,證實(shí)光是橫波.三、馬呂斯定律光強(qiáng)為I0的線(xiàn)偏振光入射到偏振片光振動(dòng)的分解偏振化方向入射光振動(dòng)方向A0I0I傳播方向偏振片入射光振動(dòng)方向透射光振動(dòng)方向偏振化方向透射光的光強(qiáng)為若振動(dòng)方向與偏器片的偏振化方向間的夾角是

透射光強(qiáng)最大透射光強(qiáng)為零自然光通過(guò)偏振片I0I傳播方向偏振片透射光振動(dòng)方向偏振化方向自然光

例兩個(gè)偏振片疊在一起，在它們的偏振化方向成1=30°時(shí)，觀測(cè)一束單色自然光，又在2=45°時(shí)，觀測(cè)另一束單色自然光.若兩次觀測(cè)得的透射光強(qiáng)度相等，求兩次入射自然光的強(qiáng)度之比。解:?????當(dāng)自然光在兩種介質(zhì)分界面上反射、折射時(shí)通常反射光、折射光法線(xiàn)自然光入射平行于入射面振動(dòng)較強(qiáng)垂直于入射面振動(dòng)較強(qiáng)n1n2§14-16

反射和折射時(shí)光的偏振會(huì)發(fā)生偏振現(xiàn)象可以是全偏振光在一定條件下反射光都是部分偏振光反射光和折射光反射光為全偏振光，i0稱(chēng)為起偏角（布儒斯特角）法線(xiàn)自然光i0角入射部分偏振光全偏振光n1n2——布儒斯特定律即滿(mǎn)足當(dāng)入射角等于特定值i0

與入射角i有關(guān)偏振化程度反射光線(xiàn)與折射光線(xiàn)垂直光從空氣射向玻璃時(shí)

可以證明，當(dāng)入射角等于全偏振角i0

時(shí)自然光全偏振光法線(xiàn)偏振片自然光以全偏振角從空氣射向普通玻璃玻璃片堆自然光全偏振光部分偏振光接近全偏振光為了增大折射光的偏振化程度，可使用玻璃片堆入射光中垂直振動(dòng)的能量只有約15%被反射

照相機(jī)偏振鏡的應(yīng)用未加偏振鏡，強(qiáng)反射景象加偏振鏡后，獲透射景象入射光經(jīng)各向異性介質(zhì)一、雙折射現(xiàn)象o光e光晶體分為兩束二、尋常光和非常光

非常光（e光）

尋常光（o光）

*§14-17

光的雙折射現(xiàn)象等）折射后分成兩束的現(xiàn)象（石英晶體，方解石晶體折射率為常數(shù)，其折射光線(xiàn)總在入射面內(nèi)折射光線(xiàn)遵守折射定律折射率不為常數(shù)，其折射線(xiàn)不一定在入射面內(nèi)折射光線(xiàn)不遵守折射定律三、光軸主平面主截面光軸產(chǎn)生雙折射的原因：102o102o方解石晶體的光軸光軸102oAB此方向稱(chēng)為晶體的光軸與非尋常光傳播速度相等沿晶體中某方向?qū)こ９舛浅９獾膫鞑ニ俣入S方向而變化尋常光沿晶體中各個(gè)方向的傳播速度相同單軸晶體只有一個(gè)光軸的晶體雙軸晶體有兩個(gè)光軸的晶體光軸o、e

光主平面

晶體中光的傳播方向主截面晶體表面法線(xiàn)入射光光軸折射光光軸法線(xiàn)折射光入射光主平面主截面與晶體光軸構(gòu)成的平面與晶體光軸構(gòu)成的平面o光與

e光的實(shí)驗(yàn)表明：o光光軸o光的主平面e光光軸e光的主平面o光的振動(dòng)方向垂直于自己的主平面e光的振動(dòng)平行于自己的主平面o光和

e光都是線(xiàn)偏振光當(dāng)入射光的入射面和晶體的主截面重合時(shí)振動(dòng)方向相互垂直主平面相重合四、正單軸晶體、負(fù)單軸晶體ve為e光在垂直于光軸方向上的傳播速度c為真空中的光速則設(shè)vo

為o光傳播速度（o光沿各個(gè)方向的傳播速度都相同）vevO光軸vevO光軸雙折射晶體中的波面正晶體負(fù)晶體e光在晶體內(nèi)形成的子波波振面

o光在晶體內(nèi)形成的子波波振面是球面（e光沿各個(gè)方向傳播的速度不相同）是以光軸為軸的旋轉(zhuǎn)橢球面用作圖法可以確定o光和e光在晶體內(nèi)的傳播方向光軸平行晶體表面，自然光垂直入射

o、e光在傳播方向上雖相同，但速度不相等光軸o光e光五、惠更斯原理在雙折射現(xiàn)象中的應(yīng)用

以方解石為例，光軸平行晶體表面光軸io

voΔtveΔteo

ecΔt且垂直入射面，自然光斜入射光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射光軸o光e光此時(shí)e光的波面不再與其波射線(xiàn)垂直了

格蘭——湯普森棱鏡由兩塊光軸平行于底面的方解石直角棱鏡組成，兩棱鏡的斜面相對(duì)膠合在一起。膠的折射率大于ne，小于no，同時(shí)令θ角大于o光在膠合面上的臨界角。o光e光θθ光軸光軸光軸光軸膠合面o光e光六、格蘭——湯普森棱鏡一、橢圓偏振光和圓偏振光d晶片C

單色自然光偏振片P1偏振化方向光軸方向AeAo*§14-18

偏振光的干涉及其應(yīng)用線(xiàn)偏振光射向晶片C后，在晶體內(nèi)分成o光、e光，相應(yīng)的相位差為設(shè)出射C后兩束偏振光的光矢量分別為和則且AAoAe光軸所以若合成光為線(xiàn)偏振光合成光為直橢圓偏振光合成光為斜橢圓偏振光合成為圓偏振光

1/4波片d光軸方向AeAo二、波片波片是厚度均勻，光軸與表面平行的晶體薄片能使o光、e光出射時(shí)產(chǎn)生(2k+1)/2的相位差因?yàn)樗哉f(shuō)明：●一束偏振光通過(guò)1/4波片后，出射的偏振狀態(tài)由（線(xiàn)偏振光振動(dòng)方向與波片光軸的夾角）確定。當(dāng)

=0o(或90o)時(shí)，出射線(xiàn)偏振光；當(dāng)

=45o時(shí)，出射圓偏振光；為其他值時(shí)，出射光為橢圓偏振光●橢圓偏振光（圓偏振光），經(jīng)1/4波片后，變?yōu)榫€(xiàn)偏振光如圖，線(xiàn)偏振光通過(guò)半波片后，出射光仍為線(xiàn)偏振光，但其振動(dòng)方向卻移過(guò)

2

角Ae出=Ae入AO入AO出A入A出光軸

1/2波片：能使線(xiàn)偏振光出射時(shí)的兩束線(xiàn)偏振光產(chǎn)生

(2k+1)的相位差，這樣的波片稱(chēng)為1/2波片單色自然光經(jīng)P1后成為線(xiàn)偏振光，通過(guò)C后，又成為兩束不相干的線(xiàn)偏振光，再經(jīng)P2后，就成為頻率相同，振動(dòng)方向相同而相位差恒定的相干光，從而產(chǎn)生偏振光干涉d晶片C

單色自然光偏振片P1偏振化方向光軸方向AeAo光軸方向偏振片P2三、偏振光的干涉通過(guò)P2兩束相關(guān)光的振幅分別為產(chǎn)生o光、e光兩束光在晶體P2中產(chǎn)生的相位差通過(guò)P1產(chǎn)生o光、e光P2P1CA1AeAoA2oA2e由于A1o與A2e方向相反，產(chǎn)生附加相位差說(shuō)明：在偏振光干涉中屏幕上的明暗由晶體厚度d

決定

對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光來(lái)說(shuō)

用白光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)在晶體中厚度均勻的情況下屏上出現(xiàn)一定色彩合成的混合色這稱(chēng)為顯色偏振四、光彈效應(yīng)(應(yīng)力雙折射效應(yīng))應(yīng)力→各向異性→v

各向不同→n各向不同介質(zhì)可由各向同性變?yōu)楦飨虍愋裕a(chǎn)生雙折射P1P2·dFSF干涉有機(jī)玻璃C這種現(xiàn)象稱(chēng)為光彈性效應(yīng)

在機(jī)械應(yīng)力作用下各處不同變導(dǎo)致

改變，引起干涉情況變?cè)谝欢☉?yīng)力范圍內(nèi)：導(dǎo)致各處不同從而出現(xiàn)干涉條紋加外力前加外力后五、旋光現(xiàn)象當(dāng)一束完全偏振光通過(guò)旋光物質(zhì)時(shí)，其振動(dòng)面會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光現(xiàn)象

Δj旋光物質(zhì)

l其中：a

為旋光率測(cè)定糖濃度的糖量計(jì)就是據(jù)此原理制成的實(shí)驗(yàn)證明，旋光物質(zhì)對(duì)線(xiàn)偏振光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)于有旋光性的液體，α與液體的濃度c成正比與在物質(zhì)中通過(guò)的距離成正比六、克爾效應(yīng)與泡克耳效應(yīng)由于弛豫時(shí)間短（10-9s），可以作為高速光閘用途：且o光與e光的折射率之差滿(mǎn)足：克爾效應(yīng)：某些液體在外加電場(chǎng)E

的作用下出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象液體電場(chǎng)且o光與e光的折射率之差滿(mǎn)足：泡克耳效應(yīng)：某些晶體在外加電場(chǎng)E

的作用下出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象磁性薄膜檢偏器起偏器聚焦透鏡激光器信號(hào)放大器信號(hào)輸出磁光盤(pán)信息讀出裝置七、磁旋光效應(yīng)

當(dāng)一束線(xiàn)偏振光照射在被磁化的界面上，其反射光或透射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，